Совершенствование технической системы обеспечения взрывоустойчивости зданий при взрывах газо-паровоздушных смесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Совершенствование технической системы обеспечения взрывоустойчивости зданий при взрывах газо-паровоздушных смесей

Специальность 05.26.03. “Пожарная и промышленная безопасность” (строительство)

Громов Николай Викторович

Москва - 2007

1. Общая характеристика работы

В настоящее время повысились требования к обеспечению взрывоустойчивости и взрывобезопасности существующих и строящихся взрывоопасных промышленных, транспортных и энергетических объектов. Это связано с необходимостью повышения уровня безопасности для персонала и оборудования на предприятиях и объектах в случае техногенной аварии и возникновением новых внешних угроз для потенциально опасных объектов, таких как атаки террористических организаций и вандализм.

К взрывоопасным объектам относятся: нефтеперерабатывающие предприятия, объекты, использующие в технологических процессах взрывоопасные вещества, в частности, сжиженные углеводородные газы (СУГ), автозаправочные станции, тепло - электростанции, объекты газового хозяйства и др.

К особой группе взрывоопасных объектов относится газифицированный жилой фонд. Статистика показывает, что в настоящее время только в Москве газифицированными остаются 1952244 квартиры (это чуть больше 25 тысяч домов, то есть 80% всего жилого фонда).

Существует два основных направления обеспечения взрывобезопасности объектов, на которых возможен аварийный взрыв газопаровоздушных смесей (ГПВС):

профилактические мероприятия, направленные на предотвращение образования газопаровоздушной смеси взрывоопасной концентрации и ее воспламенения;

мероприятия, обеспечивающие устойчивость строительных конструкций при аварийном взрыве ГПВС.

В настоящее время большое внимание уделяется профилактическим мероприятиям, которые снижают вероятность образования взрывоопасных смесей и их поджига. Но они не могут полностью исключить возможность реализации аварийного взрыва ГПВС.

О недостаточности только профилактических мероприятий свидетельствует статистика аварийных взрывов как у нас в стране, так и за рубежом. К сожалению, в нашей стране ввиду износа оборудования на объектах газовой и химической промышленности количество аварийных ситуаций, связанных со взрывным горением ГПВС, возрастает из года в год. В последнее время участились случаи взрывов газа в жилых домах. Достаточно отметить один из последних случаев взрыва бытового газа, произошедший в Москве (ул. Годовикова, 6) с человеческими жертвами и большим материальным ущербом.

Несмотря на это, законодательная и нормативная база России по обеспечению взрывобезопасности и взрывоустойчивости промышленных, энергетических и транспортных объектов имеет существенные недостатки.

Парадоксальная ситуация сложилась с декларациями по безопасности промышленных объектов. Ни в одной из них не отражен вопрос о нагрузках при взрыве газопаровоздушной смеси. Однако в 90 случаях из 100 нагрузки превышают безопасный уровень в 3…12 раз, что приводит к разрушению зданий, оборудования и гибели людей.

Значительный ущерб вызван взрывами бытового газа в жилых зданиях, особенно тех, в которых окна оборудованы современными стеклопакетами. Однако газифицированные жилые здания не проектируются с учетом их взрывобезопасности и взрывоустойчивости.

Одним из самых эффективных мероприятий, снижающих взрывные нагрузки до безопасного уровня, как в России, так и за рубежом, является устройство сбросных проемов, оборудованных предохранительными конструкциями. Задача этих конструкций состоит в том, чтобы превратить замкнутое пространство в полузамкнутое и не дать давлению в помещении превысить 1…3 кПа (0,03 кг/см² или 300 кг/м²). Именно при таком давлении человек не получает каких-либо серьезных травм, и воздействие на организм такого взрыва не выходит за рамки психологического. В подавляющем большинстве случаев, а в жилом фонде - в 100 % случаев, задачи легкосбрасываемой конструкции возлагаются на окна.

Предохранительные конструкции (ПК), в частности, легкосбрасываемые конструкции (ЛСК), применяются на взрывоопасных промышленных объектах. Но в виду того, что нормативы по их применению носят рекомендательный характер, не учитывающий физические процессы вскрытия ПК, они не всегда обеспечивают взрывоустойчивость зданий и сооружений.

Проектирование и строительство новых взрывоопасных объектов, подразумевает под собой использование новых современных материалов и строительных конструкций. Например, в северных районах установка остекления в виде пластиковых стеклопакетов для обеспечения надежного теплосбережения является необходимостью. Однако, согласно нормативным документам, такое остекление не может выступать в качестве предохранительных конструкций в виду его высокой прочности.

Степень предыдущей разработки

Проблема горения газопаровоздушных смесей тесно связана с человеческими жизнями, большим материальным ущербом, поэтому она актуальна и ей уделяют большое внимание во всех экономически развитых странах.

В нашей стране исследованию газовой дефлаграции уделялось достаточно серьезное внимание как на академическом уровне (В.В. Азатян, В.С. Бабкин, Г.И. Баренблатт, А.А. Григорян, Я.Б. Зельдович, В.П. Карпов, Д.А. Франк-Каменецкий и др.) так и прикладном.

В приложении к решению практических задач газовая дефлаграция изучалась в нескольких научных и учебных заведениях. Среди них следует выделить Московский государственный строительный университет, основоположниками школы в котором являлись Н.А. Стрельчук и Г.Г. Орлов. Наряду с ними данное направление исследований развивали П.Ф. Иващенко, А.А. Комаров, В.В. Казеннов, А.В. Мишуев, Л.П. Пилюгин, и др. Начиная с 70-х годов в проблему взрывобезопасности активно включился ВНИИПО МЧС России (А.Я. Корольченко, В.В. Мольков, И.А. Болодьян, Ю.Н. Щебеко и др.)

В ходе анализа существующих способов обеспечения взрывоустойчивости зданий с помощью предохранительных конструкций и проведенного патентного исследования было выявлено наиболее перспективное техническое решение, разработанное под руководством Стрельчука Н.А., принцип действия которого послужил основой для разработки легковскрываемого противовзрывного устройства. Предлагаемое техническое решение представляет собой устройство для аварийного открывания оконного проема, включающее одинарный поворотный переплет с горизонтальным шарниром, закрепленным в верхней части проема. В нижней части проема устройство снабжено пружинным механизмом с предварительно сжатыми пружинами, которые высвобождают свою энергию при открывании запора, связанного с датчиком давления, который срабатывает при малом изменении давления в начальной стадии взрыва.

Предложенное устройство обладает рядом недостатков:

при срабатывании пружин переплет испытывает значительный динамический удар, что ставит под сомнение выполнение переплета светопрозрачным;

рамная конструкция может открываться только наружу и тем самым становится непригодной для жилых газифицированных зданий, для которых по условию безопасности переплет должен открываться внутрь помещения;

использование верхнего горизонтального шарнира, обязывает учитывать инерционность рамной конструкции, связанной с ее весом;

пружинный механизм может открыть переплет лишь на незначительный угол (не более 25%), дальнейшее вскрытие происходит под действием нарастающего избыточного давления, что может привести к разрушающим здание нагрузкам;

пружинный механизм имеет открытый доступ, и может сработать при случайном на него воздействии;

механизм не может быть использован в помещениях с повышенной влажностью, т.к. пружины подвергаются коррозии, что значительно повышает коэффициент трения при их срабатывании.

Разработка предохранительной конструкции нового типа позволила исключить все вышеперечисленные недостатки.

Актуальность темы диссертационного исследования обусловлена аварийными взрывами газовоздушных смесей внутри зданий и помещений объектов различного назначения, следствием которых являются человеческие жертвы и большой материальный ущерб, а также отсутствие на сегодняшний день в полной мере технических систем, позволяющих значительно снизить ущерб от дефлаграционных взрывов и одновременно с этим удовлетворяющих таким требованиям современного строительства как прочность, энергонезависимость, надежность, теплоизоляция и использование современных строительных материалов.

Таким образом, актуальной является научная задача по выработке на основе теоретических и экспериментальных исследований решений, направленных на совершенствование технической системы обеспечения взрывоустойчивости зданий различного типа при взрывах газо-паровоздушных смесей.

Целью работы является снижение ущерба при взрыве газо-паровоздушных смесей на взрывоопасных объектах и разработка практических рекомендаций по использованию технических систем, обеспечивающих взрывоустойчивость взрывоопасных объектов.

Предметной областью исследования является совокупность технических средств обеспечения взрывоустойчивости строительных конструкций зданий при внутреннем аварийном взрыве газопаровоздушных смесей.

Объектом диссертационного исследования являются способы обеспечения взрывоустойчивости зданий различного типа при внутреннем дефлаграционном взрыве.

В работе применялись теоретические, экспериментальные и патентные исследования; положения теории дефлаграционного взрыва; методы математического моделирования.

Для достижения поставленной цели в диссертационном исследовании решены следующие задачи:

Проведен анализ существующих способов обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий, на основе которого определены роль и место предохранительных конструкций в области защиты зданий и сооружений от разрушения при внутреннем дефлаграционном взрыве.

На основании современных требований к остеклению жилых и общественных зданий, а также взрывоопасных помещений разработаны требования к предохранительным конструкциям, обеспечивающим неразрушающие нагрузки на строительные элементы зданий в случае внутреннего взрыва ГПВС.

Разработано техническое решение, направленное на обеспечение взрывоустойчивости зданий различного типа при внутренних дефлаграционных взрывах.

Проведен анализ решений, предложенных рядом ученых, определяющих функциональную зависимость избыточного давления от времени при взрыве ГПВС в помещении, сбросные проемы которого оборудованы предохранительными конструкциями. На основе этого анализа разработана математическая модель взрывного горения в помещении, оборудованном легковскрываемыми противовзрывными устройствами (ЛПУ) и доказана ее адекватность.

Разработан макет помещения, оборудованного легковскрываемым противовзрывным устройством.

На основе экспериментальных исследований на макете взрывного горения ГПВС уточнены расчетные параметры легковскрываемого противовзрывного устройства.

Разработана методика расчета параметров легковскрываемых противовзрывных устройств.

Разработаны рекомендации по применению легковскрываемых противовзрывных устройств для обеспечения взрывоустойчивости сооружений при внутреннем взрыве газопаровоздушных смесей.

Определен подход к оценке эффективности предохранительных конструкций и произведен расчет экономической эффективности предлагаемого предохранительного устройства.

Решение перечисленных выше задач позволило впервые получить следующие научные результаты, составляющие научную новизну диссертационной работы:

1. Разработаны требования к предохранительным конструкциям, обеспечивающим неразрушающие нагрузки на строительные элементы зданий, в случае внутреннего взрыва ГПВС.

2. Предложено техническое решение, обеспечивающее взрывоустойчивость зданий различного типа при внутренних дефлаграционных взрывах, состоящее в создании независимого от давления вскрытия и инерционности легковскрываемого противовзрывного устройства, которое обеспечивает вскрытие сбросных проемов за определенный промежуток времени при заданном избыточном давлении внутри помещения с надежностью не ниже, чем у применяемых предохранительных конструкций.

3. Разработана математическая модель взрывного горения в помещении, оборудованном легковскрываемыми противовзрывными устройствами, и экспериментально доказана ее адекватность.

4. Разработана методика расчета параметров легковскрываемого противовзрывного устройства в зависимости от характеристик взрывоопасного помещения.

5. Экспериментально и теоретически доказано, что использование ЛПУ обеспечивает неразрушающие нагрузки на строительные конструкции помещений при внутреннем дефлаграционном взрыве.

6. Разработаны рекомендации по применению легковскрываемого противовзрывного устройства для обеспечения взрывоустойчивости взрывоопасных сооружений при внутреннем взрыве газопаровоздушной смеси.

Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволили разработать техническую систему нового поколения, предназначенную для обеспечения неразрушающих нагрузок на строительные конструкции зданий при внутреннем дефлаграционном взрыве, подготовить практические рекомендации по их применению для обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий и сооружений взрывоопасных объектов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Математическая модель взрывного горения в помещении, оборудованном легковскрываемыми противовзрывными устройствами.

2. Теоретические и экспериментальные исследования легковскрываемого противовзрывного устройства.

3. Методика расчета параметров легковскрываемого противовзрывного устройства в зависимости от характеристик взрывоопасного помещения.

4. Рекомендации по применению легковскрываемого противовзрывного устройства для обеспечения взрывоустойчивости зданий и сооружений при внутреннем взрыве газопаровоздушной смеси.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных трудов, из них 11 печатных.

Апробация работы: Основные результаты исследования доложены на: VII Международном форуме «Высокие технологии XXI века», г.Москва. 2006 г.; Второй международной конференции и выставке «Алюминий в строительстве», г.Москва. 2006 г.; VI Международном салоне инноваций и инвестиций, г.Москва. 2006 г.; Международной конференции «Технологии безопасности: системы, решения, рынки» в рамках XI Международного форума «Технологии безопасности», г.Москва. 2006 г.; IV выставке «Москва - город науки», г.Москва 2006 г.; 7-й специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК», г. Москва. 2006 г; научно-практической конференции в академии ФСБ, г.Москва. 2006 г.; трех военно-научных конференциях АГЗ МЧС России, на двух научных конференциях профессорско-преподавательского состава АГЗ МЧС России. - Новогорск: АГЗ МЧС России, 2005 и 2006 годы.

Результаты исследований реализованы при выполнении 3-х НИР:

«Разработка и полигонные испытания противовзрывных устройств на основе легко сбрасываемых конструкций, обеспечивающих взрывобезопасность и взрывоустойчивость промышленных и энергетических объектов при взрыве газопаро-воздушных смесей» (работа выполнялась на основании Тематического плана развития науки и технологий в интересах г. Москвы на 2005 г.);

«Обследование взрывопожароопасных сооружений города Москвы и разработке компенсирующих мероприятий по их противовзрывной защите», (работа выполнялась на основании городской среднесрочной целевой программы «Пожарная безопасность города Москвы на 2005-2007 годы»;

«Разработка мероприятий по обеспечению взрывоустойчивости зданий газифицированного жилищного фонда», (работа выполнялась на основании городской среднесрочной целевой программы «Пожарная безопасность города Москвы на 2005-2007 годы»;

На основании результатов исследования получено решение о выдаче патента на изобретение «Способ защиты зданий и сооружений от разрушения при взрыве газопаровоздушной смеси и устройство для обеспечения взрывобезопасности помещения». Заявка № 2005126983/03(030229). Приоритет полезной модели 26 августа 2005 г.

Рамки исследования: режим взрывного горения - дефлаграция (видимая скорость горения газовоздушной смеси u_n = 1…100 м/с); вытянутость помещения (отношение наибольшего линейного размера к наименьшему) не более 5.

2. Основное содержание работы

В первой главе проведен анализ современных предохранительных противовзрывных конструкций (ПК) и определяется роль ПК в обеспечении взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий и сооружений различного типа. На основе анализа недостатков существующих ПК разработаны требования к техническим системам обеспечения взрывоустойчивости. Разработано техническое решение (принципиальная схема легковскрываемого противовзрывного устройства), удовлетворяющее всем требованиям к техническим системам обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости.

В настоящее время наиболее распространенными типами ПК являются: стекла глухого остекления; вращающиеся предохранительные конструкции с остеклением; распашные предохранительные конструкции; стеновые панели.

Основным недостатком использования в качестве ПК стекол глухого остекления является ограничение по толщине стекла (4 мм) и зависимость уровня взрывных нагрузок от размера ячейки остекления. ПК данного типа характеризуются малой теплоизолирующей способностью и высокой опасностью поражения осколками стекол людей вблизи здания в случае внутреннего взрыва.

Вращающиеся предохранительные конструкции с остеклением (при использовании в качестве заполнения светового проема стеклопакетов или двойного (тройного) остекления с целью обеспечения теплоизолирующих функций), распашные ПК и стеновые панели (все вышеперечисленные конструкции можно назвать легкосбрасываемыми конструкциями (ЛСК) обладают существенным недостатком: высокая инерционность в связи с большой массой подвижных элементов конструкций. Наряду с этим использование стеновых панелей является «одноразовым» способом защиты зданий от дефлаграционного взрыва и требует, наряду со световыми проемами, предусматривать в ограждающих конструкциях помещения дополнительные проемы для их установки.

Анализ недостатков имеющихся ПК и учет современных тенденций в строительстве позволил разработать требования к требования к предохранительным конструкциям, обеспечивающим неразрушающие нагрузки на строительные элементы зданий, в случае взрыва внутри них газопаровоздушных смесей:

1. возможность применения в качестве ПК современных стеклопакетов любой прочности и массы;

2. вскрытие проема должно осуществляться принудительно при заданном давлении и за заданное время;

3. энергонезависимость принудительного вскрытия предохранительного устройства от внешних источников;

4. вероятность отказа устройства при аварийном взрыве не более 10^-3;

5. возможность теоретического расчета параметров легковскрываемого устройства и прогнозирования нагрузок на защищаемое помещение;

6. предохранительная конструкция должна обеспечивать безопасность людей не только внутри помещений, но и вне его.

На основе этих требований разработана принципиальная схема легковскрываемого предохранительного устройства (ЛПУ), обеспечивающего неразрушающие нагрузки на строительные элементы зданий, в случае взрыва внутри них газопаровоздушных смесей (рисунок 1).

Устройство состоит из чувствительного элемента (1), соединенного с запорным устройством (2) на внутренней створке (3). Створка крепится петлями (4) к раме (5) и в рабочем (закрытом) положении закручивает упругие элементы (6), стержни которых одновременно являются крепежными пальцами для петель внутренней створки.

Рама (5) открывается внутрь помещения, что необходимо для безопасной чистки стекол с внешней стороны поворотной створки. Такая конструкция (рама в раме) предназначена для использования в жилых помещениях.

Рисунок 1 - Принципиальная схема легковскрываемого предохранительного устройства (вид из помещения)

При использовании легковскрываемых противовзрывных устройств в промышленных зданиях, конструкция может состоять только из одной рамы, т.к. возможность открытия створки внутрь помещения в таком случае не требуется.

При заданном избыточном давлении, воздействующем на чувствительный элемент (1) в помещении используется устройство, одним из конструктивных элементов которого является мембрана определенного диаметра.

Для открытия рамы за заданное время используются упругие элементы (торсионы) из высокопрочной стали, которые находятся в напряженном состоянии, когда рама закрыта.

Необходимая величина давления вскрытия, обеспечивающая неразрушающие нагрузки (максимально допустимое избыточное давление в помещении) устанавливается путем изменения рабочей площади мембраны или ее упругих свойств и усилия открытия защелки рамы.

Указанная совокупность признаков обеспечивает более высокую скорость вскрытия предохранительной конструкции по сравнению с обычными поворотными легкосбрасываемыми конструкциями, что повышает эффективность сброса газов из помещения.

Во второй главе проведен анализ существующих математических моделей дефлаграционного горения в помещениях как с учетом наличия предохранительных конструкций, так и без них. Анализ позволил определить математическую модель, наиболее соответствующую реальным физическим процессам дефлаграционного горения и разработать на ее основе математическую модель дефлаграционного горения в помещениях, оборудованных легковскрываемыми противовзрывными устройствами.

Наиболее точно зависимость изменения давления во времени в полузамкнутом объеме любой формы определяется по формуле:

, (1)

где F(t) - текущее значение площади фронта пламени, м²; S - суммарная площадь сбросных проемов, м²; _i - плотность газа (индекс 1 относится к свежей смеси, а индекс 2 - к продуктам сгорания), кг/м³; _c - коэффициент расхода, учитывающий условия истечения свежей ГВС или продуктов сгорания через сбросные отверстия; ₁₂ - степень расширения смеси при сгорании; V_i - текущий объем свежей (V₁) или сгоревшей (V₂) смеси, м³; ₁ - показатель адиабаты свежей (₁) или сгоревшей (₂)смеси; U_Н - нормальная скорость распространения пламени, м/с; Р - избыточное давление (Р=Р-Р_атм), Па; Р - текущее давление, Па; Р_атм - начальное давление (обычно атмосферное), Па; б - коэффициент интенсификации горения.

Зависимость избыточного давления от времени в замкнутом объеме определяется как:

, (2)

где: U_n= - видимая скорость пламени, м/с; V - объем помещения, м³;

При определении зависимости (2) были сделаны допущения: избыточное давление в объеме (ДР<<Р_атм); фронт пламени имеет форму сферы с радиусом r(t) = бU_неt. Такие условия выполняются на начальном периоде дефлаграционного горения в замкнутом объеме.

Решение задачи математического описания изменения избыточного давления в помещении, оборудованном ЛПУ, основывается на использовании указанных выше зависимостей с учетом параметров легковскрываемых устройств и особенностей их работы.

При использовании ЛПУ процесс дефлаграционного горения в помещении можно разделить на три части: горение до начала вскрытия предохранительной конструкции, горение во время вскрытия ПК и горение после полного освобождения сбросного проема.

В первом случае горение происходит в замкнутом объеме и изменение избыточного давления от времени происходит по закону (2).

После достижения в помещении значения давления, равного давлению вскрытия ЛПУ, срабатывает механизм вскрытия, и упругий элемент начинает поворачивать створку на угол ц(Т). При построении расчетной схемы на данном этапе процесса взрывного горения принимается следующее допущение: скоростной напор смеси, истекающей через сбросные проемы, не оказывает влияния на скорость поворота створки. Исходя из этого, функциональную зависимость угла вскрытия поворотной створки от времени можно определить, зная следующие параметры ЛПУ: жесткость системы упругих элементов К_с и момент инерции створки I_z:

(3)

Зная зависимость изменения угла вскрытия створки от времени, можно найти зависимость изменения площади вскрывшегося проема от угла ц и от времени.

На рисунке 2 схематически показана поворотная створка, открытая на угол ц. Общая площадь вскрывающегося проема S_общ =2?S_?+S_бок.

Рисунок 2 - Схематическое изображение поворотной створки: l - ширина поворотной створки; b - высота поворотной створки; ц(Т) - угол поворота створки;

При этом S_? = 0,5?l²sin(^ц(Т)/₂)cos (^ц(Т)/₂), а боковая площадь S_бок = 2blsin(^ц/₂).

Таким образом:

S_пр = l²sin(^ц(Т)/₂)cos (^ц(Т)/₂) + 2blsin(^ц(Т)/₂), (4)

где: l - ширина поворотной створки, м; b - длина поворотной створки, м.

Подставив в выражение (4) значение зависимости угла поворота створки от времени (3), получим закон изменения во времени вскрывающейся площади сбросных проемов.

На основании того, что значения величин К_с и I_z являются постоянными для каждой конкретной системы упругих элементов, зависимость избыточного давления от времени определяется выражением:

(5)

где: S(Т) - зависимость площади вскрывающихся проемов от времени вскрытия поворотной створки, м².

В третьем случае, когда значение площади сбросного проема становится меньше или равно S_общ т.е. в случае, когда выполняется условие:

S_пр ? l²sin(^ц(Т)/₂)cos (^ц(Т)/₂) + 2blsin(^ц(Т)/₂), (6)

значение избыточного давления будет определяться зависимостью (1).

Таким образом, значение избыточного давления внутри помещения со сбросными проемами, оборудованными легковскрываемыми противо-взрывными устройствами определяется последовательно по (1), (2), (5).

В третьей главе представлен макет помещения, оборудованного легковскрываемым противовзрывным устройством, на котором изучался процесс дефлаграционного горения и работа ЛПУ.

В качестве макета аварийного помещения для проведения экспериментальных исследований процесса дефлаграционного горения была использована взрывная камера из органического стекла с линейными размерами 680Ч680Ч690 и сбросным отверстием, размеры которого менялись в зависимости от требований опыта (рисунок 3).



Рисунок 3 - Общий вид взрывной камеры с установленной поворотной створкой и торсионами

Горючим газом был выбран пропан, как наиболее доступный и имеющий хорошо изученные физико-химические параметры горения. Смесь состояла из 4,5 % пропана и 95,5 % воздуха, т.е. смесь представляла собой стехиометрический состав.

Воспламенение ГВС осуществлялось высоковольтной индуктивной искрой длительностью 0,4 мс и энергией 12 МДж. Расстояние между электродами не превышало 3 мм.

Для измерения уровня взрывных нагрузок использовались датчики избыточного давления фирмы “Motorola” типа MPX, сигнал с которых поступал на цифровой осциллограф АКТАКОМ 3107. Видеосъемка процесса дефлаграционного горения осуществлялась цифровой камерой Nikon «Camedia» с разрешением 4 мегапикселя и скоростью съемки 30 кадров в секунду.

Серия экспериментов, по исследованию дефлаграционного горения проводилась в 5 этапов:

1. эксперименты по определению времени задержки между заполнением газовоздушной смесью камеры и инициированием взрыва газовоздушной смеси для исключения влияния начальной турбулизации смеси;

2. эксперименты в газовой камере с изначально открытым сбросным проемом для выяснения влияния ЛСК и ЛПУ на характер зависимости давление - время.

3. эксперименты по исследования взрывного горения в камере с поворотной створкой (с вертикальным шарниром) различной массы для выяснения влияния на характер процесса инерционности ЛСК;

4. эксперименты по исследования взрывного горения в камере с поворотной створкой при различных значениях давления ее вскрытия. Определялось влияние давления вскрытия поворотной створки на уровни взрывных нагрузок;

5. эксперименты по исследованию эффективности работы ЛПУ.

В ходе экспериментальных исследований было проведено более 70 опытов, результаты которых доказали работоспособность легковскрываемого противовзрывного устройства.

Сравнение значений избыточного давления во взрывной камере с применением легковскрываемого противовзрывного устройства и с использованием ЛСК показал, что при равных значениях массы поворотной створки и давления вскрытия применение ЛПУ позволяет на 62% снизить взрывные нагрузки в помещении с одинаковой площадью сбросных проемов.

Во время проведения 16 опытов с использованием доработанного образца ЛПУ не было зафиксировано ни одного отказа. Результаты эксперимента показали, что максимальное давление во взрывной камере, оборудованной ЛПУ при значений давления его вскрытия ДР_вскр=1кПа не превышало 3 кПа, что является допустимой нагрузкой на строительные конструкции зданий различного типа.

На рисунке 4 приведен график зависимости избыточного давления от времени во взрывной камере с использованием ЛПУ, а на рисунке 5 - кинограмма взрывного горения, соответствующая графику.



Рисунок 4 - График зависимости избыточного давления от времени горения во взрывной камере с использованием ЛПУ.

Рисунок 5 - Кинограмма взрывного горения в камере с использованием легковскрываемого противовзрывного устройства

Анализ графика (рисунок 4) и кинограммы (рисунок 5) показывает, что вскрытие поворотной створки ЛПУ начинается примерно на 80…85 мс при значении избыточного давления 1 кПа. В течение 5 мс после вскрытия створки избыточное давление продолжает нарастать до 2 кПа за счет быстрого вытягивания фронта пламени в сторону сбросного отверстия. На 90…105 мс давление резко снижается практически до нуля, что обусловлено освобождением сбросного проема, причем, как видно из рисунка 5 фронт пламени еще не подошел к сбросному отверстию. До 120 мс из сбросного отверстия истекает несгоревшая смесь и площадь фронта пламени увеличивается, вследствие чего происходит рост избыточного давления. На 120 мс из сбросного отверстия начинается истечение продуктов сгорания. При этом на графике наблюдается очередной спад давления. Далее (см. рисунок 5) площадь поверхности фронта пламени продолжает увеличиваться, вызывая тем самым незначительный рост избыточного давления. На 240 мс значение избыточного давления очередного достигает максимума, после чего уменьшается до нуля (см. рисунок 4 и рисунок 5 - 300 мс) вследствие полного догорания остатков газовоздушной смеси во взрывной камере.

В четвертой главе доказана адекватность предложенной математической модели дефлаграционного горения в помещениях, оборудованных легковскрываемыми противовзрывными устройствами. Определен подход к оценке эффективности предохранительных конструкций различного типа и доказана экономическая эффективность легковскрываемого противовзрывного устройства. Разработана методика расчета параметров ЛПУ в зависимости от характеристик взрывоопасного помещения. Разработаны рекомендации по применению ЛПУ для обеспечения взрывоустойчивости и взрывобезопасности зданий различного типа.

На рисунке 6 приведены графики зависимости избыточного давления от времени полученные во взрывной камере с линейными размерами 680Ч680Ч690 мм, позволяющие сравнить результаты расчета и эксперимента.

Как показывает кинограмма на рисунке 5, вскрытие поворотной створки начинается на 80 мс. До этого момента расчет избыточного давления производится по формуле (2), при этом расчетные и экспериментальные значения избыточного давления практически совпадают.



Рисунок 6 - Сравнение расчета и эксперимента для опытов во взрывной камере кубического объема (размеры сбросного проема 560Ч270 мм.): 1 - график зависимости избыточного давления от времени во взрывной камере с использованием ЛПУ (эксперимент); 2 - график зависимости избыточного давления от времени во взрывной камере со свободным сбросным проемом; 3 - расчетная зависимость избыточного давления от времени во взрывной камере с использованием ЛПУ

На промежутке времени с 80 по 110 мс поворотная створка открывается под воздействием торсионов и расчет производится по формуле (5). На этом периоде наблюдается небольшое расхождение (5%) времени реализации максимума давления обусловленного наличием легкосбрасываемого устройства.

После 110 мс процесса дефлаграционного горения расчет значений избыточного давления осуществляется по формуле (1). Для дополнительного сравнения расчетных значений давления с экспериментальными данными на этом участке, на рисунке 6 приведена экспериментально полученная зависимость избыточного давления от времени во взрывной камере со свободным сбросным проемом. Размеры сбросного проема составляли 560Ч270 мм.

Результаты сравнения расчетных и экспериментальных значений избыточного давления показывают, что время реализации второго максимума давления на расчетной зависимости всего на 2% расходится с экспериментальными данными, а значение максимального избыточного давления - на 15%.

Далее, на расчетном и экспериментальном графике наблюдается третий максимум избыточного давления. Расхождение между расчетом и экспериментом не более 15%.

Анализ приведенных данных свидетельствует об удовлетворительной сходимости экспериментальных и расчетных данных, особенно на самом важном периоде дефлаграционного горения во время реализации первого пика избыточного давления (характеризующего максимальное избыточное давление в помещении, оборудованном легковскрываемым устройством).

Разработанная на основе теоретических и экспериментальных исследований «Методика подбора и расчета параметров легкосбрасываемых противовзрывных устройств» позволяет выбрать тип и определить основные характеристики легкосбрасываемых противовзрывных устройств на стадии проектирования зданий и при модернизации предохранительных конструкций на конкретных взрывоопасных объектах.

Время, необходимое для вскрытия каждой поворотной створки до угла 90є вычисляется по формуле:

t_вскр = k_та_пом [с],(7)

где: k_т = 0,07 (эмпирический коэффициент);

а_пом - наименьший линейный размер помещения, м.

Примечание: Если расчетное значение времени вскрытия поворотной створки t_вскр получается больше 0,5 с, то время вскрытия поворотной створки принимается t_вскр = 0,5с.

Исходными данными для расчета параметров поворотной створки (упругого элемента поворотной створки) является ее масса m (кг), расстояние от центра массы до оси вращения X_m (м), расстояние от центра створки до оси её вращения X_s (м) (см. рисунок 7).

При использовании в системе двух торсионов рекомендуется выбирать параллельную схему их работы (К_С=2К жесткость системы упругих элементов равна сумме жесткостей двух одинаковых упругих элементов).

Исходя из значения выбранной длины рабочей части упругих элементов определяется их жесткость (при одновременной работе двух торсионов):

Н·м/рад,(8)

где: G = 8000 кг/мм² = 78000 МПа - модуль сдвига;

_p=0,1d_т ⁴ - полярный момент инерции для круглого сечения упругого элемента, м⁴.

Расчет момента инерции створки производится по следующей формуле

I_z=m·(X_m)² Нм².(9)

Угол открытия створки принимаем ц=р/2 рад (см. рисунок 7).

Угол начального закручивания упругого элемента принимаем ц_З= р/2 рад.

Расчет значения жесткости системы упругих элементов Кс производится исходя из соотношения. Откуда:

. (10)



Рисунок 7 - Схематичное изображение поворотной створки с торсионами

Производится расчет значения жёсткости каждого из упругих элементов:

К = К_с /2.(11)

Определяется значение полярного момента инерции:

м⁴,(12)

Определяется значение диаметра упругого элемента d_т:

м.(13)

Определяется максимальное касательное напряжение в рабочей части упругого элемента:

Па,(14)

где w_р= 0.2d_т³.

Примечание: Современные рессорно-пружинные стали могут надёжно работать при касательных напряжениях не превышающих: ф_max= 900…1000 МПа. Если значение максимального касательного напряжения в рабочей части упругого элемента не превышает предельно допустимого, то использование торсиона с найденным по формуле (13) диаметром d_т возможно. В противном случае требуется произвести корректировку основных (конструктивных) параметров поворотной створки.

Результаты расчетов, производимых согласно предлагаемой методике позволяют определить параметры упругих элементов легковскрываемого противовзрывного устройства (диаметр торсионов) и возможность использования противовзрывного устройства с исходными параметрами (масса и размеры поворотной створки, длина рабочей части упругих элементов) исходя из рассчитываемого значения максимальных касательных напряжений в торсионах. Ограничением использования противовзрывного устройства с заданными параметрами может быть предел прочности материала, из которого изготавливаются торсионы.

Предварительные расчеты ожидаемой экономической эффективности, проведенные в соответствии с основными положениями инструкции по определению экономической эффективности использования в строительстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений СН 509-78 показали, что использование ЛПУ является экономически эффективным способом обеспечения взрывоустойчивости промышленных зданий при внутренних дефлаграционных взрывах по сравнению с используемыми в настоящее время предохранительными конструкциями.

Результаты оценки экономической эффективности ЛПУ позволили сделать вывод о целесообразности его применения для обеспечения неразрушающих нагрузок на строительные конструкции взрывоопасных зданий.

Рекомендации по применению легковскрываемых устройств позволяют оценить возможность использования ЛПУ для обеспечения взрывоустойчивости аварийных зданий и уточняют особенности их установки и эксплуатации.

Наличие сбросных проемов, имеющих необходимую суммарную площадь для снижения нагрузок при внутреннем аварийном взрыве - первое условие применимости ЛПУ. Для определения взрывоустойчивости помещения с уже имеющимися сбросными проемами и необходимости снижения возможных взрывных нагрузок предлагается использовать существующую сертифицированную методику расчета взрывоустойчивости зданий при внутреннем дефлаграционном взрыве газо-паровоздушной смеси НТЦ «Взрывоустойчивость». В качестве исходных данных для расчетов по методике принимаются параметры взрывоопасного помещения со свободными сбросными проемами.

Если расчетные нагрузки в помещении со свободными сбросными проемами превышают допустимые (>5 кПа), то в качестве предварительного мероприятия по обеспечению взрывоустойчивости помещения следует увеличить площадь сбросных проемов. Это позволит снизить уровень взрывных нагрузок при использовании ЛПУ при реализации второго пика давления.

После увеличения площади сбросных проемов производится расчет основных параметров ЛПУ, его изготовление и монтаж.

В последние годы повысилась угроза проведения террористических актов на опасных и важных производственных объектах. Как правило, большинство из них осуществляется путем подрыва конденсированных взрывчатых веществ с внешней стороны здания. Дополнительную угрозу представляют аварийные физические взрывы установок различного типа и резервуаров высокого давления.

С целью предотвращения поражения персонала и внутреннего оборудования ударной волной и осколками остекления в случае внешнего взрыва, в качестве остекления рекомендуется применять так называемые светопрозрачные взрывобезопасные конструкции (СВБК).

Легковскрываемые противовзрывные устройства позволяют использовать в качестве поворотных створок для закрытия светопроемов материалы любого уровня устойчивости к внешним воздействиям: ВУВ, ударам и т.д., в том числе и СВБК.

Расчет параметров каждого ЛПУ производится по «Методике подбора и расчета параметров легкосбрасываемых противовзрывных устройств». При этом, время вскрытия всех ЛПУ, устанавливаемых в одном помещении, должно быть одинаковым. Оно зависит от объема помещения и факторов влияющих на интенсификацию горения в этом помещении.

Расчет упругих элементов ЛПУ производится отдельно для каждого устройства. При этом учитываются конструктивные особенности поворотной створки и ее масса.

Монтаж ЛПУ на существующие сбросные или световые проемы осуществляется после выбора устройств с необходимыми параметрами (габаритные размеры, время вскрытия).

взрывоустойчивость дефлаграционный легковскрываемый здание

Выводы по работе

1. Проведенный анализ современных способов обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий показал, что существенную роль в области защиты зданий и сооружений от разрушения при внутреннем дефлаграционном взрыве играют предохранительные конструкции. Однако, не смотря на их широкое использование, современные противовзрывные устройства обладают рядом недостатков, основной из которых - это несоответствие существующих ПК современным требованиям к использованию энергосберегающего и ударопрочного остекления взрывоопасных помещений, жилых и общественных зданий.

2. Соответствие предохранительных конструкций современным тенденциям использования энергосберегающего остекления позволяет существенно снизить риск разрушения строительных конструкций зданий и сооружений различного типа при дефлаграционном взрыве.

3. Предложенное техническое решение, направленное на обеспечение взрывоустойчивости зданий различного типа при внутренних дефлаграционных взрывах, удовлетворяет всем современным требованиям к остеклению взрывоопасных помещений, жилых и общественных зданий. Оно является независимым от давления вскрытия и инерционности устройством, обеспечивающим вскрытие сбросных проемов за определенный промежуток времени при заданном избыточном давлении внутри помещения с надежностью не ниже чем у применяемых ПК.

4. Разработанная математическая модель динамики взрывного горения позволяет определить величину избыточного давления в помещении, оборудованном легковскрываемыми противовзрывными устройствами. Математическая модель может использоваться для прогнозирования нагрузок на строительные конструкции зданий и сооружений и определения параметров новых предохранительных конструкций на этапе проектирования или модернизации взрывоопасных помещений.

6. Соответствие результатов экспериментальных исследований, проведенных на макете взрывоопасного помещения и расчетных данных, доказывает адекватность предложенной математической модели взрывного горения в помещении, оборудованном легковскрываемыми противовзрывными устройствами.

7. Анализ результатов экспериментальных исследований легковскрываемого противовзрывного устройства показал работоспособность устройства и возможность обеспечения с помощью него неразрушающих нагрузок на строительные конструкции зданий в случае внутреннего взрыва ГПВС.

8. Разработанная методика расчета параметров ЛПУ в зависимости от характеристик взрывоопасного помещения позволяет подобрать легковскрываемое устройство с оптимальными характеристиками для обеспечения неразрушающих нагрузок на строительные конструкции зданий и сооружений при внутреннем дефлаграционном взрыве.

9. Рекомендации по практическому применению ЛПУ могут выступать в качестве пособия по эксплуатации легковскрываемого устройства для персонала взрывоопасных объектов. Эксплуатация ЛПУ согласно предложенным рекомендациям обеспечивает надежное функционирование устройства и обеспечение взрывоустойчивости конструкций зданий и сооружений при внутреннем взрыве ГПВС.

10. Расчет экономической эффективности предлагаемого устройства проведенный согласно инструкции по определению экономической эффективности использования в строительстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений СН 509-78, показал, что обеспечение взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий с помощью ЛПУ является экономически эффективным способом по сравнению с современными предохранительными конструкциями, имеющими аналогичные энергосберегающие и прочностные характеристики.

Основные публикации по теме исследования

1. Мишуев А.В., Казеннов В.В., Громов Н.В. Обеспечение взрывобезопасности и взрывоустойчивости г.Москвы при техногенных и террористических взрывах. Сборник докладов XI международного форума «Технологии безопасности». Международная конференция «Технологии безопасности: системы, решения, рынки», М. - 2006.

2. Мишуев А.В., Казеннов В.В., Громов Н.В. Меры по снижению взрывоопасности в протяженных транспортных тоннелях. Сборник докладов XI международного форума «Технологии безопасности». Международная конференция «Технологии безопасности: системы, решения, рынки», М. - 2006.

3. Мишуев А.В., Казеннов В.В., Громов Н.В. Обеспечение взрывобезопасности и взрывоустойчивости промышленных и гражданских объектов. Сборник докладов XI международного форума «Технологии безопасности». Международная конференция «Технологии безопасности: системы, решения, рынки», М. - 2006.

4. Мишуев А.В., Казеннов В.В., Громов Н.В., Гусак Л.Н., Шумилова О.В., Белов Д.Н. Хаснутдинов Д.З. Меры по снижению взрывной опасности в протяженных транспортных городских тоннелях. Сборник докладов тематической НПК «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан»,- М.: МГСУ, 2005.

5. Мишуев А.В., Казеннов В.В., Громов Н.В., Гусак Л.Н., Шумилова О.В., Белов Д.Н., Хаснутдинов Д.З. Обеспечение взрывобезопасности и взрывоустойчивости промышленных и гражданских объектов. Сборник докладов НТК «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан».- М.: МГСУ, ИИБС 2005.

6. Мишуев А.В., Казеннов В.В., Громов Н.В. Обеспечение взрывобезопасности взрывоустойчивости промышленных и гражданских объектов. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века № 8, 2006.

7. Мишуев А.В., Казеннов В.В., Громов Н.В. Обеспечение взрывобезопасности взрывоустойчивости промышленных и гражданских объектов. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века № 9, 2006.

8. Репринцев В.А., Баринов А.В., Чагаев В.П., Громов Н.В., Трофимов А.А. Отчет по НИР “Обоснование общих тактико-технических требований взрывных технологий на основе газовоздушных смесей (п.3.4.9. ЕТП НИОКР МЧС России) (заключительный)”.- Новогорск. АГЗ МЧС России, 2004. -50 с.

9. Мишуев А.В., Казеннов В.В., Громов Н.В., Гусак Л.Н., Шумилова О.В., Белов Д.Н., Хаснутдинов Д.З. Мероприятия по обеспечению взрывоустойчивости и взрывобезопасности промышленных, энергетических, транспортных и гражданских объектов. - Сборник докладов НПК «Городской строительный комплекс и безопасность жизнедеятельности граждан», М.: МГСУ, 2005.

10. Громов Н.В. Взрывоустойчивость зданий различного типа при внутреннем дефлаграционном взрыве газо- паровоздушных смесей. Сборник научных трудов АГЗ МЧС России. - Новогорск: АГЗ МЧС России, 2005.

11. Громов Н.В. Технические средства обеспечения взрывоустойчивости зданий различного типа при внутреннем дефлаграционном взрыве газо- паровоздушных смесей. Сборник научных трудов АГЗ МЧС России. - Новогорск: АГЗ МЧС России, 2006.

Размещено на Allbest.ru

...